JP2010014374A

JP2010014374A - ヒートポンプ加熱装置

Info

Publication number: JP2010014374A
Application number: JP2008176612A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kinoshita; 浩一木下; Masaki Ikeuchi; 正毅池内; Shinji Shato; 真二社頭
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2008-07-07
Publication date: 2010-01-21

Abstract

【課題】過冷却部における被加熱流体の圧力損失を低減することのできるヒートポンプ加熱装置を提供することを課題とする。
【解決手段】冷媒により被加熱流体を加熱するヒートポンプ加熱装置１であって、内部を冷媒が流れる冷媒回路１０と内部を被加熱流体が流れる被加熱流体回路２０とを備えている。冷媒回路１０は、冷媒を圧縮する圧縮機２、被加熱流体と熱交換させて冷媒を凝縮する凝縮部３、さらに被加熱流体と熱交換させて冷媒を過冷却する過冷却部４、冷媒を減圧する膨張弁５、及び冷媒を蒸発する蒸発器６を順次環状に接続している。被加熱流体回路２０は、被加熱流体を冷媒と熱交換させる過冷却部４、過冷却部４から送られた被加熱流体をさらに冷媒と熱交換させる凝縮部３、及び過冷却部４へ送られる被加熱流体の少なくとも一部を過冷却部４をバイパスさせて凝縮部３に流すバイパス流路２６を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクルを利用して被加熱流体を加熱するヒートポンプ加熱装置に関するものである。

従来、冷凍サイクルを利用して冷媒を高温にし、この高温の冷媒で被加熱流体（主に水が用いられる）を加熱して、加熱された被加熱流体を給湯や暖房に用いるヒートポンプ加熱装置が種々提案されている。この種のヒートポンプ加熱装置として、例えば、特許文献１には、冷媒と被加熱流体との熱交換を効率的に行うために、プレート式熱交換器を冷媒の状態に基づいて凝縮部と過冷却部とに分けたヒートポンプ加熱装置が開示されている。
特開２００５−１０６３８５号公報

ところで、凝縮部は、その内部では冷媒が気体の状態で流れているため、液体の状態で冷媒が流れる過冷却部よりもプレート枚数を多くする必要がある。また、一般的に、圧縮機から吐出された高温ガスとなった冷媒が凝縮部において凝縮液となるまでの熱量（以下、凝縮部熱量という）は、過冷却部において過冷却される熱量（以下、過冷却部熱量）の約３〜５倍である。よって、凝縮部における冷媒と被加熱流体との交換熱量は、過冷却部における交換熱量の約３〜５倍であるため、凝縮部の伝熱面積は過冷却部の伝熱面積の約３〜５倍必要である。すなわち、過冷却部の伝熱面積は、凝縮部の伝熱面積の約１／３〜１／５にする必要があり、ひいては、過冷却部での冷媒及び被加熱流体の流路断面積を、凝縮部及び被加熱流体の流路断面積の約１／３〜１／５とする必要がある。しかしながら、被加熱流体の流量や流速は、凝縮部における流量や流速で設定されるため、凝縮部の流路断面積の約１／３〜１／５しか流路断面積を有していない過冷却部では圧力損失が大きくなり、その結果、全体を流れる被加熱流体の流量が減少してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、過冷却部における被加熱流体の圧力損失を低減することのできるヒートポンプ加熱装置を提供することを課題とする。

本発明に係るヒートポンプ加熱装置は、上記課題を解決するためになされたものであり、冷媒により被加熱流体を加熱するヒートポンプ加熱装置であって、内部を冷媒が流れる冷媒回路であって、冷媒を圧縮する圧縮機、被加熱流体と熱交換させて冷媒を凝縮する凝縮部、さらに被加熱流体と熱交換させて冷媒を過冷却する過冷却部、冷媒を減圧する膨張弁、及び冷媒を蒸発する蒸発器、を順次環状に接続した冷媒回路と、内部を被加熱流体が流れる被加熱流体回路であって、被加熱流体を冷媒と熱交換させる前記過冷却部、前記過冷却部から送られた被加熱流体をさらに冷媒と熱交換させる前記凝縮部、及び前記過冷却部へ送られる被加熱流体の少なくとも一部を前記過冷却部をバイパスさせて前記凝縮部に流すバイパス流路を有する被加熱流体回路と、を備えている。

上記構成によれば、被加熱流体の少なくとも一部が過冷却部をバイパスするようにバイパス流路を有しているため、過冷却部へ流れる被加熱流体の流量を減らして過冷却部での被加熱流体の圧力損失を低減することができ、ひいては、被加熱流体回路全体を流れる被加熱流体の流量の減少を低減することができる。

上記ヒートポンプ加熱装置は種々の構成をとることができるが、例えば、上記凝縮部及び過冷却部をプレート式熱交換器として構成することができる。

また、上記被加熱流体回路は、過冷却部へ流れる被加熱流体の流量を調整する流量調節装置をさらに有していることが好ましい。この構成によれば、流量調節装置を調節して過冷却部へ流す被加熱流体の流量を調節することにより、過冷却部での被加熱流体の圧力損失をより低減することができ、ひいては、被加熱流体回路全体を流れる被加熱流体の流量が減少することをより抑制することができる。

また、上記被加熱流体回路は、過冷却部の出口において被加熱流体の温度を測定する被加熱流体温度センサと、被加熱流体温度センサの測定値に基づいて流量調節装置を制御する制御装置とをさらに有していることが好ましい。この構成によれば、被加熱流体温度センサによって測定された被加熱流体の温度が所定の温度よりも低ければ、流量調節装置を調節して過冷却部へ流す被加熱流体の流量を減らし、また逆に被加熱流体の温度が所定の温度よりも高ければ、流量調節装置を調節して過冷却部へ流す被加熱流体の流量を増やすなどというように、過冷却部へ流す被加熱流体の流量をより適切に調節することができる。

また、上記冷媒回路が、凝縮部を出て過冷却部へ送られる冷媒の温度を測定する冷媒温度センサをさらに備えており、上記制御装置が、被加熱流体温度センサの測定値及び冷媒温度センサの測定値に基づいて、流量調節装置を制御するように構成されていることが好ましい。この構成によれば、凝縮部を出て過冷却部へ送られる冷媒の温度と、過冷却部出口における被加熱流体の温度との差を算出して、この温度差が所定の温度差より大きければ、流量調節装置を調節して過冷却部へ流す被加熱流体の流量を減らし、逆に上記温度差が所定の温度差よりも小さければ、流量調節装置を調節して過冷却部へ流す被加熱流体の流量を増やすというように、過冷却部へ流す被加熱流体の流量をより適切に調節することができる。

本発明によれば、過冷却部における被加熱流体の圧力損失を低減することのできるヒートポンプ加熱装置を提供することができる。

以下、本発明に係るヒートポンプ加熱装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、ヒートポンプ加熱装置の全体を示す構成図、図２は凝縮部の斜視図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は図２のＢ−Ｂ線断面図、図５は過冷却部の斜視図、図６は図５のＡ−Ａ線断面図、図７は図５のＢ−Ｂ線断面図である。

図１に示すように、ヒートポンプ加熱装置１は、内部を冷媒が循環する冷媒回路１０と、内部を水（被加熱流体）が流れる被加熱流体回路２０とを備えている。冷媒回路１０は、圧縮機２、凝縮部３、過冷却部４、膨張弁５、蒸発器６が、この順で環状に接続されている。一方、被加熱流体回路２０は、貯湯タンク７、循環ポンプ８、流量調節装置９，過冷却部４，凝縮部３がこの順で接続されている。なお、凝縮部３及び過冷却部４は、冷媒回路１０と被加熱流体回路２０に共有されているが、凝縮部３及び過冷却部４に形成された冷媒が流れる流路と水が流れる流路とは互いに独立している。

次にヒートポンプ加熱装置１を構成する各機器について説明する。まず、冷媒回路１０に設置された各機器について説明する。圧縮機２は、駆動装置（図示省略）によって駆動され、吸引した冷媒を内部で圧縮して高圧・高温とし凝縮部３に吐出する。

凝縮部３は、図２に示すように、複数の伝熱プレートを積層した、いわゆるプレート式熱交換器として形成されている。このプレート式熱交換器として構成された凝縮部３は、公知のプレート式熱交換器を用いることができ、具体的には、複数の伝熱プレートを積層して隣接する伝熱プレート間に流路を形成し、水を下方から上方へと流す（図３参照）とともに、冷媒を上方から下方へ流す（図４参照）ことで、その流路に冷媒と水とを交互に対向させて流し、各伝熱プレートを介して冷媒と水とを熱交換させている。この凝集部３では、高温ガス状態の冷媒を凝縮させて水を加熱している。なお、図２及び図４に示すように凝縮部３は、冷媒の入口よりも冷媒の出口の方が配管が細くなっている。

図５に示すように、過冷却部４も、上記凝縮部３と同様に、複数のプレートを積層した、いわゆるプレート式熱交換器として形成されている。なお、過冷却部４における冷媒と水との交換熱量は、伝熱面積を同一とすると、通常、凝縮部３における交換熱量の約１／３〜１／５であるため、この過冷却部４を構成するプレート式熱交換器の伝熱プレートの枚数は、凝縮部３を構成するプレート式熱交換器の伝熱プレートの枚数の約１／３〜１／５となっている。この過冷却部４では、水を下方から上方へ流す（図６参照）とともに、冷媒を上方から下方へと流す（図７参照）ことで、冷媒と水とを交互に対向させて流し、各伝熱プレートを介して冷媒と水とを熱交換させ、上記凝縮部３において凝縮されて液体となった冷媒を過冷却することで、水を加熱している。なお、過冷却部４は、冷媒の入口及び出口の配管は、上記凝縮部３の冷媒の出口の配管とほぼ同じ太さとなっている。

膨張弁５は、冷媒を急激に減圧して低温低圧にする弁である。また、蒸発器６は、室外に設置されており、その内部を流れる冷媒を外気と熱交換させるものであり、冷媒を蒸発させて圧縮機２へと送る。

被加熱流体回路２０は、凝縮部３及び過冷却部４で加熱された水（湯）を貯めておくための貯湯タンク７を備えている。この貯湯タンク７の下部には、給水源（図示省略）から貯湯タンク７の下部に給水する給水管２１や、貯湯タンク７の下部に貯められた水を過冷却部４へと供給する供給管２２が接続されている。また、貯湯タンク７の上部には、凝縮部３及び過冷却部４で加熱された水（湯）を貯湯タンク７の上部に戻す戻り管２３や、貯湯タンク７の上部に貯められた高温の水（湯）を給湯する給湯管２４が接続されている。また、被加熱流体回路２０は、過冷却部４を流れた水を凝縮部３へと送るように連結管２５が凝縮部３の水の流路と過冷却部４の水の流路とを連結している。そして、供給管２２を流れる水の一部が過冷却部４をバイパスするように、供給管２２から分岐して連結管２５へと接続されたバイパス管（バイパス流路）２６が設置されている（図５参照）。供給管２２には、水を過冷却部４や凝縮部３へ送るために循環ポンプ８が設置されるとともに、バイパス管２６の分岐点より下流側に過冷却部４へ送られる水の流量を調節するための流量調節装置９が設置されている。なお、本実施形態においてはこの流量調節装置９は開度を調節することにより過冷却部４へ流れる水の流量を調節することのできる弁として構成されている。

以上のように構成されたヒートポンプ加熱装置１の動作について説明する。

まず、冷媒回路１０内を流れる冷媒を中心に説明すると、圧縮機２により圧縮されて高温高圧のガスとなった冷媒は、凝縮部３へと送られる。凝縮部３において、冷媒用流路を流れる冷媒は、被加熱流体用流路を流れる被加熱媒体と熱交換を行って被加熱媒体を加熱するとともに、冷媒自体は凝縮されて液化し、過冷却部４へと送られる。過冷却部４において、冷媒用流路を流れる冷媒は、被加熱流体用流路を流れる水とさらに熱交換を行って水を加熱し、冷媒自体は過冷却されて膨張弁５へと送られる。膨張弁５に送られた冷媒は減圧されて低温低圧となり、続いて蒸発器６によって外気と熱交換して蒸発して再度圧縮機２へと送られる。以上のサイクルを繰り返すことで水を加熱する。

次に、被加熱流体回路２０を流れる水を中心に説明する。まず、給水源（図示省略）から給水貯湯タンク７の下部へ貯められた水が供給管２２を通って過冷却部４へと送られる。供給管２２からはバイパス管２６が分岐しているため、全ての水が過冷却部４へと送られるのではなく、一部の水はバイパス管２６を通って直接凝縮部３へと送られる。この過冷却部４へと流れる水の流量は、流量調節装置９の開度を調節することによって調節される。過冷却部４を流れる水は、同じく過冷却部４を流れる冷媒と熱交換することで加熱される。そして、過冷却部４を流れて加熱された水とバイパス管２６を流れて加熱されていない水が連結管２５で合流し、凝縮部３へと送られる。凝縮部３では、凝縮部３の冷媒用流路を流れる冷媒と熱交換を行うことで水が加熱される。このように凝縮部３及び過冷却部４で加熱された水は戻り管２３を介して貯湯タンク７の上部に流入し、上から次第に貯湯される。このように凝縮部３や過冷却部４によって加熱されて貯湯タンク７の上部に貯められた水（湯）が、給湯管２４を通ってお風呂や暖房器具などに用いられる。

以上、本実施形態によれば、過冷却部４へ全ての水を流すのではなく、一部の水をバイパス管２６を介して過冷却部４をバイパスさせることができるため、過冷却部４における水の圧力損失を低減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、図８に示すように、過冷却部４の出口において水の温度を測定するように、バイパス管２６と合流する点よりも上流側の連結管２５に被加熱流体温度センサ１１を設置するとともに、過冷却部４へ送られる冷媒の温度を測定するように、冷媒回路１０の冷却部４の入口に冷媒温度センサ１２を設置してもよい。そして、これら被加熱流体温度センサ１１及び冷媒温度センサ１２により測定した測定値に基づいて流量調節装置９の開度を調節する制御装置１３が設置されている。このように構成することで、例えば、被加熱流体温度センサ１１で測定した被加熱流体温度Ｔ_ｗと冷媒温度センサ１２で測定した冷媒温度Ｔ_ｒとの温度差Ｔ_ｒ−Ｔ_ｗが設定温度差ΔＴ前後となるように、流量調節装置９を調節して過冷却部４に送られる水の流量を調節することができる。

また、上記冷媒温度センサ１２を省略して被加熱流体温度センサ１１のみとすることもできる。この場合は、被加熱流体温度センサ１１により測定した被加熱流体温度Ｔ_ｗが設定温度Ｔよりも低ければ流量調節装置９の開度を調節して過冷却部４へ流れる水の量を減らし、逆に設定温度Ｔよりも高ければ流量調節装置９の開度を調節して過冷却部４へ流れる水の量を増やす。

また、上記実施形態では、流量調節装置９を設置しているがこれを省略することができる。この場合、バイパス管２６の流路断面積を調節することで過冷却部４へ流れる被加熱流体の流量を調節することもできる。

また、冷媒回路１０の凝縮部３と過冷却部４との間に受液器を設置することもできる。

本発明に係るヒートポンプ加熱装置の実施形態を示す構成図である。本実施形態に係る凝縮部３を示す斜視図である。図２のＡ−Ａ線断面図である。図２のＢ−Ｂ線断面図である。本実施形態に係る過冷却部４及びバイパス管２６を示す斜視図である。図５のＡ−Ａ線断面図である。図５のＢ−Ｂ線断面図である。本発明に係るヒートポンプ加熱装置の別の実施形態を示す構成図である。

符号の説明

１ヒートポンプ加熱装置
２圧縮機
３凝縮部
４過冷却部
５膨張弁
６蒸発器
９流量調節装置
１０冷媒回路
２０被加熱流体回路
２６バイパス管（バイパス流路）
１１被加熱流体温度センサ
１２冷媒温度センサ
１３制御装置

Claims

冷媒により被加熱流体を加熱するヒートポンプ加熱装置であって、
内部を冷媒が流れる冷媒回路であって、冷媒を圧縮する圧縮機、被加熱流体と熱交換させて冷媒を凝縮する凝縮部、さらに被加熱流体と熱交換させて冷媒を過冷却する過冷却部、冷媒を減圧する膨張弁、及び冷媒を蒸発する蒸発器を順次環状に接続した冷媒回路と、
内部を被加熱流体が流れる被加熱流体回路であって、被加熱流体を冷媒と熱交換させる前記過冷却部、前記過冷却部から送られた被加熱流体をさらに冷媒と熱交換させる前記凝縮部、及び前記過冷却部へ送られる被加熱流体の少なくとも一部を前記過冷却部をバイパスさせて前記凝縮部に流すバイパス流路を有する被加熱流体回路と、
を備えた、ヒートポンプ加熱装置。
前記凝縮部及び過冷却部は、プレート式熱交換器である、請求項１に記載のヒートポンプ加熱装置。
前記被加熱流体回路は、前記過冷却部へ流れる被加熱流体の流量を調整する流量調節装置をさらに有する、請求項１又は２に記載のヒートポンプ加熱装置。
前記被加熱流体回路は、前記過冷却部の出口において被加熱流体の温度を測定する被加熱流体温度センサと、前記被加熱流体温度センサの測定値に基づいて前記流量調節装置を制御する制御装置とをさらに有する、請求項３に記載のヒートポンプ加熱装置。
前記冷媒回路は、前記凝縮部を出て前記過冷却部へ送られる冷媒の温度を測定する冷媒温度センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記被加熱流体温度センサの測定値及び冷媒温度センサの測定値に基づいて、前記流量調節装置を制御する、請求項４に記載のヒートポンプ加熱装置。